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1 GPS系統(tǒng)

1.1 什么是GPS

      GPS即全球定位系統(tǒng)(bbbbbb bbbbbbbbing System)是70年代由美國(guó)陸、海、空三軍聯(lián)合研制的．具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)二三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和令球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等目的。經(jīng)過(guò)20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資200億美元，于1994年全面建成。建成后，一天24小時(shí)免費(fèi)為全球提供衛(wèi)墾導(dǎo)航定位信號(hào)。

       GPS衛(wèi)星發(fā)送兩種碼：P碼(精碼)和C／A碼(粗碼)。P碼只供美軍及其盟軍以及美國(guó)政府批準(zhǔn)的用戶使用，定位精度達(dá)到3 m；C／A碼為民用，對(duì)社會(huì)開放，定位精度為14 m。出于自身安全的考慮，美國(guó)先后實(shí)施了SA和AS政策。SA政策是在C／A碼中人為引人誤差，使定位精度下降到100 m；AS政策是對(duì)P碼實(shí)行加密。2000年5月1日起美國(guó)停止了故意降低民用信號(hào)性能的SA政策，對(duì)民用碼不加干擾，使民用信號(hào)精度大大提高，SA已經(jīng)成為歷史。

1.2 GPS系統(tǒng)的組成

GPS系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：

(1)空間星座部分：即GPS衛(wèi)星星座。由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。衛(wèi)星高度約2.02萬(wàn)干米，均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為11小時(shí)58分，24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道面上(每軌道面4顆)，軌道傾角為55°。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時(shí)間都可觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形(DOP)。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?

(2)地面監(jiān)控部分：他包括1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站，負(fù)責(zé)衛(wèi)星的監(jiān)控和衛(wèi)星星歷(描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù))的計(jì)算。監(jiān)測(cè)站設(shè)有GPS用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。監(jiān)測(cè)站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地，他的主要任務(wù)是收集各監(jiān)測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值，另外，他還要對(duì)地面監(jiān)控部分實(shí)行全面控制。注入站也設(shè)在范登堡空軍基地，他的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把各類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS衛(wèi)星每天進(jìn)行一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。

(3)用戶設(shè)備部分：主要由GPS接收機(jī)硬件和處理軟件組成。用戶通過(guò)GPS信號(hào)接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)軟件進(jìn)行信號(hào)處理而獲得用戶位置、速度、時(shí)間等信息，最終實(shí)現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。GPS信號(hào)是一種可供無(wú)數(shù)用戶免費(fèi)共享的信息資源，只要用戶擁有GPS信號(hào)接收機(jī)，就可享受免費(fèi)的導(dǎo)航、授時(shí)和定位服務(wù)。

1.3 GPS定位原理

       GPS基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送衛(wèi)星訊號(hào)，用戶接收到這些訊號(hào)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出自身的三維位置、三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息，且無(wú)需為接收的衛(wèi)星訊號(hào)本身支付任何費(fèi)用。

      24顆GPS衛(wèi)星在空中環(huán)繞地球運(yùn)行，在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)，都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星都全天候地向地面?zhèn)鬏斢嵦?hào)，訊號(hào)中包含有偽亂碼、星歷資料及Almanac。偽亂碼是衛(wèi)星的身份標(biāo)識(shí)，他告訴我們訊號(hào)是由哪一顆衛(wèi)星傳輸下來(lái)的；星歷資料含有衛(wèi)星是否健康、現(xiàn)在的日期、時(shí)間等信息；Almanac傳輸軌道信息告訴我們衛(wèi)星所在天空的位置。就是說(shuō)，每一顆衛(wèi)星會(huì)告訴GPS接收機(jī)3件事：我是第幾號(hào)衛(wèi)星，我現(xiàn)在位置在哪里，我什么時(shí)候送訊息給你。

       定位計(jì)算時(shí)，以觀測(cè)到的4顆衛(wèi)星(前3顆衛(wèi)星進(jìn)行幾何定位，后1顆衛(wèi)星用于計(jì)算衛(wèi)星鐘和接收機(jī)的鐘差，以提高定位精度。)的瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，可以得到以下4個(gè)方程式：



      4個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(x，y，z)和接收機(jī)的鐘差Vto為未知數(shù)，其他數(shù)據(jù)可從衛(wèi)星信號(hào)中獲得，為已知量。其中c為GPS信號(hào)的傳播速度，即光速，Vti(i=1，2，3，4)為各顆衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘的鐘差，di(i=1，2，3，4)為各顆衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離，di=c×△ti(i=1，2，3，4)，△ti(i=1，2，3，4)為各顆衛(wèi)星的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。

       由以上4個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)(x，y，z)和接收機(jī)的鐘差Vt0。接收機(jī)不斷更新位置，就可以計(jì)算出移動(dòng)的方向及速度。

       事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時(shí)，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布將其分成若干組，每組4顆，然后通過(guò)算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

       由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響，使得民用GPS的定位精度不高。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技術(shù)，即建立基準(zhǔn)站(差分臺(tái))進(jìn)行GPS觀測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測(cè)值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對(duì)外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。實(shí)驗(yàn)表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5 m。

1.4 GPS系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

全天候；全球覆蓋；三維定速、定時(shí)，高精度；快速，省時(shí)，高效率；應(yīng)用廣泛，多功能。

1.5 GPS系統(tǒng)的主要用途

(1)陸地應(yīng)用：主要包括車輛導(dǎo)航、應(yīng)急反應(yīng)、大氣物理觀測(cè)、地球物理資源勘探、工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、市政規(guī)劃控制等。

(2)海洋應(yīng)用：包括遠(yuǎn)洋船最佳航程航線測(cè)定、船只實(shí)時(shí)調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救援、海洋探寶、水文地質(zhì)測(cè)量以及海洋平臺(tái)定位、海平面升降監(jiān)測(cè)等。

(3)航空航天應(yīng)用：包括飛機(jī)導(dǎo)航、航空遙感姿態(tài)控制、低軌衛(wèi)星定軌、導(dǎo)彈制導(dǎo)、航空救援和載人航天器防護(hù)探測(cè)等。

2 車載導(dǎo)航系統(tǒng)

        雖然GPS一開始是為軍事目的而建立的，但很快和民用方面得到了極大的發(fā)展。在民用方面，發(fā)展最快，最為人們熟悉的就是車載GPS導(dǎo)航了。他可以為人們提供“位置指示”和“導(dǎo)航”服務(wù)，即：我在哪里?某處在哪里?去某處怎么走?這是一套極其先進(jìn)的系統(tǒng)，能夠偵測(cè)汽車在行駛途中的現(xiàn)時(shí)位置，幫助駕駛者在陌生的道路環(huán)境中，通過(guò)電子地圖與語(yǔ)音指南，準(zhǔn)確地掌握前往目的地的路線。除了購(gòu)買GPS設(shè)備和電子地圖的費(fèi)用外，GPS導(dǎo)航是沒(méi)有使用費(fèi)用的。在發(fā)達(dá)國(guó)家，車載GPS導(dǎo)航已經(jīng)是一個(gè)非常成熟的系統(tǒng)。日本的車載導(dǎo)航體系是全球領(lǐng)先的，超過(guò)80％的日本新車裝有車載導(dǎo)航，不但附帶豐富的覆蓋全國(guó)的電子地圖，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾乎全部城市的道路信息實(shí)時(shí)發(fā)布，車載導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)根據(jù)道路信息實(shí)時(shí)調(diào)整行駛路線，這樣既可以減少路程花費(fèi)時(shí)間，又可以幫助交通管理部門調(diào)整交通流量，一舉兩得。

2.1 車載導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

       目前的車載GPS系統(tǒng)終端通常由GPS模塊、無(wú)線通信模塊、報(bào)警控制模塊、語(yǔ)音控制模塊、顯示模塊、車載PC、電子地圖、自律導(dǎo)航模塊、車速傳感器、陀螺傳感器、地圖匹配模塊等幾個(gè)部分組成。

GPS模塊 用來(lái)接收GPS衛(wèi)星訊號(hào)。

無(wú)線通信模塊 通常采用車載無(wú)線電話、電臺(tái)或移動(dòng)數(shù)據(jù)終端，以完成信息交互功能。

報(bào)警控制模塊 向監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)出報(bào)警訊號(hào)，通報(bào)車輛異常信息。

語(yǔ)音控制模塊 完成聲音控制及服務(wù)等功能。

顯示模塊 用來(lái)顯示位置路況等視頻圖像信息。

       車載PC 整合處理各功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，完成指定功能，如進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算所在位置的經(jīng)度，緯度，海拔，速度和時(shí)間等。

        電子地圖 儲(chǔ)存著豐富的城市地圖、全國(guó)的公路網(wǎng)圖，此外，一般還儲(chǔ)存有加油站、便利商店、政府機(jī)關(guān)、旅游景點(diǎn)、餐館、停車場(chǎng)等信息。

        自律導(dǎo)航模塊 當(dāng)汽車行駛到地下隧道、高層樓群、高速公路等遮掩物處而捕捉不到GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)人自律導(dǎo)航系統(tǒng)。此時(shí)依靠車速傳感器及陀螺傳感器兩者的信息反饋及車載PC的數(shù)據(jù)處理，使得在無(wú)法接收衛(wèi)星信號(hào)的地方，仍然可以修正到汽車現(xiàn)時(shí)的位置，完成精確的無(wú)間斷的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間的定位。

         地圖匹配模塊 由GPS衛(wèi)星導(dǎo)航和自律導(dǎo)航所測(cè)到的汽車位置、前進(jìn)方向都與實(shí)際行駛的路線軌跡存在一定誤差。為修正這兩者間的誤差，需要采用地圖匹配技術(shù)，對(duì)汽車行駛的路線與電子地圖上道路的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)相關(guān)匹配，并做自動(dòng)修正，以指示出正確的行駛路線。

2.2 車載導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能

導(dǎo)航功能 使用者在車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)上任意標(biāo)注兩點(diǎn)后，導(dǎo)航系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前的位置，為車主設(shè)計(jì)最佳路線，包括最快的路線、最簡(jiǎn)單的路線、通過(guò)高速公路路段次數(shù)最少的路線等，供車主選擇。另外，還可做人工線路設(shè)計(jì)：由車主設(shè)計(jì)起點(diǎn)、終點(diǎn)和途經(jīng)點(diǎn)等，然后自動(dòng)進(jìn)行線路規(guī)劃，并在顯示器上顯示出設(shè)計(jì)的線路。此外，他還有修改功能，假如用戶因?yàn)椴恍⌒腻e(cuò)過(guò)路口，沒(méi)能走選定的線路，車輛位置偏離線路軌跡200 m以上，導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)根據(jù)車輛所處的位置，為用戶設(shè)計(jì)一條回到原航線的路線，或是重新為用戶設(shè)計(jì)一條從現(xiàn)在位置到終點(diǎn)的最佳線路。

語(yǔ)音提示功能 如果前方遇到路口或者轉(zhuǎn)彎，系統(tǒng)就給出轉(zhuǎn)向等語(yǔ)音提示，以避免車主走彎路。他能夠提供全程語(yǔ)音提示，駕車者無(wú)需觀察顯示界面就能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的全過(guò)程，使行車更加安全方便。

信息查詢功能 車載系統(tǒng)都配備了電子地圖，電子地圖含有全同的各大省會(huì)城市及各中小城市，駕車者可以隨時(shí)查看任一地點(diǎn)的交通、建筑、旅游景點(diǎn)、賓館、醫(yī)院等情況。

增加興趣點(diǎn)功能 由于我國(guó)大部分城市都處于建設(shè)階段，隨時(shí)隨地都有可能冒出新的建筑物，一旦遇到電子地圖上沒(méi)有的目標(biāo)點(diǎn)，只要你認(rèn)為有必要，就可將該點(diǎn)或者新路線增加到地圖上。這些新增加的點(diǎn)與地圖上原有的點(diǎn)一樣，均可套用進(jìn)電子地圖查閱等功能。

定位功能 通過(guò)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，可以準(zhǔn)確地定出其所在的位置，并可以在地圖上相應(yīng)的位置用一個(gè)記號(hào)標(biāo)記出來(lái)。同時(shí)，GPS還可以取代傳統(tǒng)的指南針顯示方向，取代傳統(tǒng)的高度計(jì)顯示海拔高度等信息。

測(cè)速功能 通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收計(jì)算，可以測(cè)算出行駛的具體速度，比一般的里程表準(zhǔn)確很多。

顯示航跡功能 導(dǎo)航系統(tǒng)具有航跡記錄功能，可以記錄下用戶車輛經(jīng)過(guò)的路線。如果在別人帶領(lǐng)下去了一個(gè)陌生的地方，那么獨(dú)自返回時(shí)，就可以啟動(dòng)他的返程功能，讓他領(lǐng)著你順著米時(shí)的路線順利回家。

2.3 車載導(dǎo)航系統(tǒng)的類別

現(xiàn)有的車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)主要分為3類：

原廠GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 目前不少高檔車配有原廠GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，這種導(dǎo)航系統(tǒng)外形美觀，運(yùn)作穩(wěn)定可靠，屏幕顯示清晰，功能強(qiáng)大且定位迅速準(zhǔn)確。原廠的升級(jí)和售后服務(wù)十分完善，但價(jià)格高。

副廠GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 目前有很多專業(yè)廠商為汽車提供GPS系統(tǒng)的加裝。這種GPS裝置適合那些沒(méi)有原廠GPS的車型，性能和售后服務(wù)不錯(cuò)，價(jià)格也不太高，是很受歡迎的一類。

自攢GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 車主可自行購(gòu)買GPS導(dǎo)航頭，通過(guò)藍(lán)牙或線纜與筆記本電腦或者掌上電腦連接，配合電子地圖，組成GPS系統(tǒng)。這種導(dǎo)航系統(tǒng)效果也很好，并且價(jià)格最低廉，但要求車主必須對(duì)電腦知識(shí)十分熟悉，還要自己動(dòng)手，因此很難普及。

除以上3類外，還有手持GPS導(dǎo)航儀，他體積較小(和手機(jī)差不多)，性能也十分穩(wěn)定。但是由于手持GPS對(duì)電子地圖支持不好，屏幕也較小，一般不太適合車載使用。

3 結(jié) 語(yǔ)

       GPS問(wèn)世以來(lái)，已充分顯示了其在導(dǎo)航、定位領(lǐng)域的霸主地位。幾乎全世界所有需要導(dǎo)航、定位的用戶都被GPS的高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活和優(yōu)質(zhì)價(jià)廉所吸引。多年實(shí)踐表明，GPS是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。今后，所有運(yùn)載器都將依賴于GPS，他將象于機(jī)、傳真、計(jì)算機(jī)對(duì)我們生活的影響一樣，人們?nèi)粘Ｉ顚㈦x不開他。

        在汽車導(dǎo)航方面，以GPS導(dǎo)航為代表的綜合信息平臺(tái)將是未來(lái)汽車通訊與導(dǎo)航產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。這種平臺(tái)將整合汽車通訊功能和導(dǎo)航功能，成為一個(gè)集交通信息、汽車行駛信息、通訊娛樂(lè)服務(wù)于一體的綜合信息系統(tǒng)。隨著國(guó)內(nèi)導(dǎo)航產(chǎn)鏈的逐步成熟和發(fā)展，國(guó)內(nèi)導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)將穩(wěn)步提升，價(jià)格也將最終接近大眾消費(fèi)水平，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)必將成為汽車的基本裝備，成為人們休閑、娛樂(lè)、旅游探險(xiǎn)不可缺少的必備工具。